植物措施對沙漠光伏電站土壤的改良效應

賈瑞庭， 袁立敏， 蒙仲舉

（1.內蒙古自治區林業科學研究院，內蒙古自治區沙地（沙漠）生態系統與生態工程重點實驗室，沙地生物資源保護與培育國家林業局重點實驗室，呼和浩特 010010； 2.內蒙古多倫渾善達克沙地生態系統國家定位觀測研究站，內蒙古 錫林郭勒 027300； 3.內蒙古農業大學沙漠治理學院，呼和浩特 010010）

在碳中和、碳達峰的“雙碳”目標下，大力發展低碳或零碳技術是能源領域技術變革的戰略方向，其中光伏發電是我國未來可再生能源利用的主要方式之一[1]。我國西北干旱、半干旱區豐富的沙地資源和太陽輻射是光伏電站項目建設的理想場所[2]，但沙區光伏電站建設會加劇脆弱生態區的水土流失[3]，風沙活動也威脅光伏設施的運營[4]。因此，生態保護措施和植被恢復重建迫在眉睫。

針對沙區光伏電站建設生態破壞和沙害威脅問題，前人開展了風沙物理、風沙地貌等機理研究，主要包括風沙流、輸沙通量、地表蝕積形態及風蝕防治工程措施等[5-9]，而關于光伏電站植被恢復重建措施對土壤性質的改良效應關注較少。因此，研究光伏電站內植被恢復重建后的土壤物理化學性質，有助于進一步認識風蝕防治措施對沙漠光伏電站土壤的修復作用。基于此，本研究以庫布齊沙漠200 MW光伏電站種植羊草、甘草、油蒿、花棒及沙障的樣地為研究對象，研究不同措施下土壤容重、孔隙度、粒度特征和養分差異，旨在闡明光伏電站不同經營措施對土壤的影響，以期為沙區光伏電站生態修復、沙害防治提供治理方案。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于內蒙古杭錦旗獨貴塔拉鎮沿黃公路南側的光伏電站（37°20′—39°50′ N，107°10′—111°45′ E），總占地面積6.67 km2（圖1）。該區屬于典型溫帶大陸性季風氣候，海拔1 136 m，年平均氣溫5~8 ℃，年均太陽總輻射量597.9 kJ·cm-2，年均降水量150~400 mm，且季節分布不均勻，主要集中在6 月下旬到9 月上旬，年蒸發量2 100~2 700 mm。風沙活動集中在3—5 月，最大瞬時風速達24 m·s-1，年大風日數25~35 d，在西北盛行風作用下形成新月型沙丘、新月型沙丘鏈和格狀沙丘鏈，植被覆蓋度低，60%的沙地為流動沙地[10]。

圖1 研究區位置Fig. 1 Location of the study area

電站由36°最佳傾角的單晶硅電池板陣列組成，電池板板面向南，呈東西走向，相鄰2 排光伏陣列間距900 cm，板上沿垂直高度270 cm，板下沿垂直高度35 cm，單組電池板由2 排18 列99 cm×195 cm 基本光伏電板單元組成，整體規格為400 cm×1 800 cm，電站面積為5.37 km2。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗設計與樣品采集 2020年7月于光伏電站內選擇典型經營措施羊草、甘草、油蒿、花棒及沙障為試驗樣地，各樣地隨機設置3個1 m×1 m草本樣方和5 m×5 m 灌木樣方，記錄植物種類、蓋度、高度、冠幅。在各樣地地勢平緩處設置3個采樣區，用環刀、塑封袋采集0—5、5—10、10—20、20—30 cm 土層土壤樣品，測定土壤容重、孔隙度指標，同時將塑封袋內土壤樣品帶回實驗室，去雜陰干后用于測定土壤機械組成和土壤養分。未種植植物時，該研究區土壤為流沙，植被稀疏，因此，本研究忽略植被恢復前原有植被對土壤理化性質的影響。

1.2.2 測定方法 土壤粒度組成采用干篩分法測定，分析結果以美國制（US-DA）土壤粒徑分級標準[11]劃分為黏粉粒（<50 μm）、極細沙[50~100 μm）、細沙[100~250 μm）、中沙[250~500 μm）、粗沙[500~1 000 μm）、極粗沙[1 000~2 000 μm）；容重、孔隙度采用環刀法和烘干法測定；有機質采用高溫重鉻酸鉀氧化容量法測定；堿解氮采用堿解擴散法測定；速效磷采用NaHCO3浸提，紫外分光光度計測定；速效鉀采用NH4OAc浸提，火焰光度計測定[12]。

1.3 數據分析

利用Excel 2010 和SPSS 25.0 軟件對數據進行統計與分析，采用Origin 2021進行作圖。

2 結果與分析

2.1 不同經營措施樣地基本特征

不同經營措施樣地特征見表1，羊草措施植被蓋度為8%，株高為63 cm，結皮厚度為1.46 cm；甘草措施植被蓋度為40%，株高為11 cm，結皮厚度為1.32 cm，樣地內分布著少量的霧濱黎和沙米；油蒿措施植被蓋度為6%，株高為145 cm，冠幅為150 cm×132 cm，樣地內分布著少量的沙米；花棒措施植被蓋度為75%，株高為131 cm，冠幅為91 cm×80 cm，結皮厚度為1.27 cm，樣地內分布有楊柴、檸條、沙打旺等；且植物在生長期無灌溉和施肥。沙障用于電站內風沙危害防治，地表均勻鋪設，鋪設量為600 kg·km-2，土壤為流沙，無植被。

表1 不同經營措施樣地基本特征Table 1 Basic characteristics of areas with different management measures

2.2 不同經營措施土壤粒度特征

由表2 可知，不同經營措施土壤粒度組成以細沙為主，中沙和極細沙含量次之，3 種主要粒級體積百分含量占沙物質粒級組分的90%以上，不同經營措施間各粒級含量差異顯著（P<0.05）。<0.25 mm 粒級組分含量在羊草措施最高（97.05%），其次為油蒿（90.22%）、花棒（87.33%）、沙障（86.10%）、甘草（85.55%），可見羊草措施對土壤細化效果優于其他措施，其豐富的團聚體數量對土壤通透性至關重要。

表2 不同經營措施土壤粒度含量Table 2 Soil particle size content of different management measures (%)

2.3 不同經營措施土壤容重特征

土壤容重與土壤的孔隙度和滲透率密切相關，是土壤緊實度的重要指標。不同經營措施土壤容重結果見表3，0—30 cm 土層不同經營措施土壤容重變化范圍為1.47~1.67 g·cm-3，0—5 cm羊草、花棒措施土壤容重最高，沙障措施土壤容重最低，各措施間差異沒有達到顯著水平；5—10 cm 土層羊草措施土壤容重最高，沙障措施土壤容重最低且顯著低于羊草措施；10—20 cm 土層油蒿措施土壤容重最高，沙障措施土壤容重最低且顯著低于羊草措施；20—30 cm 土層油蒿措施土壤容重最高，沙障措施土壤容重最低，各措施間差異不顯著；因此沙障措施土壤較疏松，結構性較好。

表3 不同經營措施土壤容重Table 3 Soil bulk density of different management measures （g·cm-3）

2.4 不同經營措施土壤孔隙度特征

土壤孔隙度是影響土壤蓄水能力、通氣性、肥力和植物的生長狀況重要物理指標。不同經營措施土壤孔隙度結果見圖2，0—30 cm 土層毛管孔隙度為14.53%~31.52%，其中沙障措施毛管孔隙度為30.30%~31.52%，均顯著高于其他措施。非毛管孔隙度在各土層差異不同，0—5 cm 土層沙障措施非毛管孔隙度（9.38%）顯著高于其他措施；5—10 cm 土層沙障措施非毛管孔隙度（8.17%）顯著高于羊草、甘草和油蒿措施；10—20、20—30 cm 土層沙障措施非毛管孔隙度分別為6.95%、6.46%，均顯著高于羊草和甘草措施。由此可見，沙障對土壤孔隙度的改善效果優于其他植物措施。

圖2 不同經營措施土壤孔隙度Fig. 2 Soil porosity of different management measures

2.5 不同經營措施土壤養分含量

對沙區光伏電站內不同經營措施的土壤有機質和速效養分含量分析結果表明（圖3），不同經營措施對土壤養分影響不同，各樣地0—30 cm 土層有機質含量整體表現為甘草>羊草>花棒>油蒿>沙障，其中，甘草措施0—5 cm土層有機質含量顯著高于其他措施，5—10 cm 土層有機質含量顯著高于油蒿、花棒和沙障措施；羊草措施20—30 cm土層有機質含量顯著高于其他措施。堿解氮含量整體表現為羊草>花棒>沙障>甘草>油蒿，花棒措施5—10 cm 土層堿解氮含量與甘草、沙障措施差異顯著。速效磷含量整體表現為花棒>甘草>沙障>油蒿>羊草，0—5 cm 土層羊草與花棒措施速效磷含量差異顯著，5—10、20—30 cm 土層花棒措施速效磷含量顯著高于其他措施，10—20 cm土層花棒、沙障措施與其他措施有顯著差異。速效鉀含量整體表現為羊草>甘草>沙障>花棒>油蒿，0—5 cm 土層花棒措施與油蒿、沙障措施無顯著差異，5—10 cm 土層花棒措施與油蒿無顯著差異，與其他措施間差異顯著。

圖3 不同經營措施土壤養分Fig. 3 Soil nutrients of different management measures

植物措施增加了地表凋落物和地下有機物（細根及根系分泌物）輸入，促進土壤有機質和養分的形成與提高，進而改善土壤養分狀況。0—30 cm 土層土壤養分含量反映了其對植物措施的響應，養分在剖面分布具有明顯差異性，植被恢復區0—5 cm 土層土壤養分含量表現出一定表聚性。有機質、堿解氮和速效鉀含量隨土層深度增大呈降低趨勢，油蒿措施0—5 cm 土層有機質含量低于5—10、10—20 cm 土層，其原因是該樣地僅分布少量的油蒿灌叢，植被蓋度較低，表層土壤為攔截的流沙，且枯枝落葉在表層還沒形成腐殖質。速效磷含量不同土層間變化較大，變化趨勢不明顯。

3 討論

植被的生長、發育和演替過程直接受到土壤性質的影響，同時植被生長、發育和演替的過程也密切影響著土壤的物理性質[13]，土壤粒度組成是土壤母質、降雨、溫度、地形以及植物共同作用的結果[14]。研究區細沙、中沙和極細沙3 種主要粒級體積百分含量占沙物質粒級組分的90%以上，這與楊世榮等[15]研究結果一致，電板、植被地上部分、沙障對大氣降塵、風蝕物具有截存效應[16]，但同時對風蝕物的截存效應表現出較大差異，油蒿、花棒措施優勢粒級細沙含量高于羊草、甘草措施，其主要原因是油蒿、花棒屬于半灌木，冠幅較大，對氣流阻擋滯塵作用較強，沙障措施的優勢粒級細沙含量高于油蒿、花棒、羊草、甘草措施，沙障作為立地條件較差地區機械防沙固沙措施，避免了氣流對地面的直接作用，使得地表粗糙度增大，能很好改善土壤粒度組分。陳聞等[17]指出不同人工固沙植被均降低了土壤容重，改善了沙地土壤結構。研究區不同經營措施土壤容重為1.47~1.67 g·cm-3，0—30 cm 土層間均以沙障措施容重最低，沙障措施毛管孔隙度均顯著高于其他措施。植物根系交錯相連成網狀，改善了土壤結構，降低土壤容重，增強團聚體穩定性，改善土壤持水能力和入滲性能，從而改善土壤綜合物理性質[18]。

研究區0—30 cm 土層甘草措施有機質最高、羊草措施堿解氮、速效鉀含量最高、花棒措施速效磷含量最高，自然狀態下，土壤速效養分和有機質含量由土壤母質和地表枯落物共同決定，植被地上枯枝落葉生成腐殖質增加土壤有機物質及養分含量，促進退化土壤理化性質的恢復。秸稈還田措施可明顯增加土壤養分含量，植物根系釋放營養物質和其枯落物凋落歸還到土壤中，從而提高土壤養分含量[19-20]，這與施明等[21]研究結果一致，枯枝落葉進入土壤，為土壤微生物提供了充足的營養物質，使土壤微生物數量增大，促進了養分的循環和轉化。